(57)【要約】【課題】  凹面鏡を用いずに小型化を図るとともに、簡単な構成で表示像の変倍を行うことができるヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）を提供すること。【解決手段】  表示装置１１から投射された表示像を反射手段としてのコンバイナ１７によって反射させ、コンバイナ１７からの反射像を観察者が視認するＨＵＤにおいて、表示装置１１とコンバイナ１７の間の光路上に、表示像を変倍する集光レンズ組１３を備えている。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表示装置から投射された表示像を反射手段によって反射させ、前記反射手段からの反射像を観察者が視認するヘッドアップディスプレイにおいて、前記表示装置と前記反射手段の間の光路上に、前記表示像を変倍する集光レンズ組を備えたことを特徴とするヘッドアップディスプレイ用光学系。
【請求項２】
前記集光レンズ組には、光軸方向に移動可能な移動手段が設けられていることを特徴とする請求項１記載のヘッドアップディスプレイ用光学系。
【請求項３】
前記集光レンズ組は、正の屈折力を有するレンズと、色収差を補正するための負の屈折力を有するレンズとを備えてなることを特徴とする請求項１または２記載のヘッドアップディスプレイ用光学系。
【請求項４】
屈折力の異なる前記集光レンズ組を複数組み合わせてなるビームエキスパンダを備えたことを特徴する請求項１から３のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ用光学系。
【請求項５】
前記ビームエキスパンダは、前記集光レンズ組の一方は負の屈折力を有するレンズ組であり、他方は正の屈折力を有するレンズ組であることを特徴とする請求項４記載のヘッドアップディスプレイ用光学系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車等の車両に適用可能なヘッドアップディスプレイ用光学系に関する。
【背景技術】
【０００２】
ヘッドアップディスプレイ（以下、「ＨＵＤ」とする）は、自動車等の運転席前方に設けられた表示装置からの表示像を、反射手段、例えば、フロントガラスまたはフロントガラス等に組み込まれたコンバイナに反射させて、前方視野あるいはその近傍の前景と重畳し、運転者等が運転状態からほとんど視点を動かすことなく情報を読み取れるようにしたものである。
【０００３】
例えば、ＨＵＤ１００は、図５に示すように、ウィンドシールドＷＳ内面の一部分を利用して構成されハーフミラーとして機能するコンバイナ１０２と、凹面鏡１０３、平面鏡１０４と、画像表示像光を投影する表示器１０５とから構成されている。
このようなＨＵＤ１００において、表示器１０５から画像表示光が投射され、凹面鏡１０３、平面鏡１０４とコンバイナ１０２との組み合わせによる光学系を介して虚像１０６が視点１０１位置にてウィンドシールドＷＳの前方に観察されるようになっている（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−３４７１２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般に、コンバイナ１０２の前方に結像される虚像１０６をできるだけ大きくするには、凹面鏡１０３の拡大率をできるだけ大きくすることが望ましい。しかし、凹面鏡１０３の拡大率を大きくすることには、自ずから限界があり、当該拡大率を大きくしすぎると、上記虚像１０６に著しい歪みを生じてしまうという不具合がある。そこで、特許文献１に示すＨＵＤ１００では、凹面鏡１０３、反射鏡１０４およびコンバイナ１０２の組み合わせによる光学系を用いて、歪みを抑えているが、複数の光学素子を用いなければならず、ＨＵＤ１００が大型化になるという問題がある。
【０００６】
さらに、凹面鏡１０３、反射鏡１０４、コンバイナ１０２の組み合わせによる光学系であるので、虚像１０６の大きさを簡単に変更することは難しく、また、変更する場合には、改めて光学系を設計しなおさなければならず、コストが上昇するという問題もある。
【０００７】
そこで、本発明は以上のような従来技術の問題点を鑑みて、凹面鏡を用いずに小型化を図るとともに、簡単な構成で表示像の変倍を行うことができるＨＵＤ用光学系を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明では、表示装置に表示された表示像を反射手段に向けて投射し、前記反射手段の反射像を観察者が視認するＨＵＤにおいて、前記表示装置と前記反射手段の間の光路中に、前記表示像を変倍する集光レンズ組を備えたことを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、ＨＵＤは、前記表示装置と前記反射手段の間の光路中に、前記表示像を変倍する集光レンズ組を備えたので、従来のように凹面鏡を用いることなく反射手段に照射することができる。このため、凹面鏡を省略することで、ＨＵＤを小型化することができる。
さらに、前記表示装置と前記反射手段の間の光路中に、前記集光レンズ組を備えたので、挿入する集光レンズ組の焦点距離を変えることで、表示像の倍率を変化させることができる。
【００１０】
また、挿入する集光レンズ組の位置、すなわち、前記表示装置または前記反射手段との間隔を変えることで、表示像の倍率を変化させることができる。
このため、挿入する集光レンズ組の焦点距離または配置位置を変えることで、簡単に表示像の倍率を変更することができる。
【００１１】
また、本発明において、前記集光レンズ組には、光軸方向に移動可能な移動手段が設けられていることが好ましい。
本発明によれば、上記集光レンズ組には移動手段が設けられているので、上記集光レンズ組を光軸方向に移動することが自由にでき、容易に倍率を変更することができる。換言すれば、ズームレンズを用いることなく、ズーム効果を得ることができる。
【００１２】
さらに、本発明において、前記集光レンズ組は、正の屈折力を有するレンズと、色収差を補正するための負の屈折力を有するレンズとを備えてなることが好ましい。
これにより、２枚のレンズを組み合わせるという簡単なレンズ構成で色収差を補正することができる。
【００１３】
本発明において、屈折力の異なる集光レンズを複数組み合わせてなるビームエキスパンダを備えたことが好ましい。
本発明によれば、ビームエキスパンダを構成する屈折力の異なる前記集光レンズの間隔を調整することで、表示像（虚像）の見える光軸方向の位置を調整することができる。
【００１４】
さらに本発明において、前記ビームエキスパンダは、前記集光レンズ組の一方は負の屈折力を有するレンズ組であり、他方は正の屈折力を有するレンズ組であることが好ましい。
本発明によれば、負の屈折力を有するレンズ組と、正の屈折力を有するレンズ組とを組み合せるので、結像せず、集光レンズ組間の距離を短くすることができ、ひいてはシステム全長を短くすることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明において、表示装置に表示された表示像を反射手段に向けて投射し、前記反射手段からの反射像を観察者が視認するＨＵＤにおいて、前記表示装置と前記フロントガラスの間の光路中に、前記表示像を変倍する集光レンズを備えたことを特徴とする。
【００１６】
本発明によれば、ＨＵＤは、前記表示装置と前記反射手段の間の光路中に、前記表示像を変倍する集光レンズを備えたので、凹面鏡を用いることなく反射手段に照射することができる。このため、凹面鏡を省略することで、ＨＵＤを小型化することができる。
さらに、前記表示装置と前記反射手段の間の光路中に、前記集光レンズを備えたので、挿入する集光レンズの焦点距離を変えることで、表示像の倍率を変化させることができる。
【００１７】
また、挿入する集光レンズの位置、すなわち、前記表示装置または前記反射手段との間隔を変えることで、表示像の倍率を変化させることができる。
このため、挿入する集光レンズの焦点距離または配置位置を変えることで、簡単に表示像の倍率を変更することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照しながら本発明にかかるＨＵＤ用光学系の実施の形態について説明する。
【００１９】
（全体構成）
図１は本発明にかかるＨＵＤを示す概念図である。
ＨＵＤ用光学系１０は、図１に示すように、自動車内のフロントガラス１６下方に設けられたダッシュボード内に収納されている。このＨＵＤを構成するＨＵＤ用光学系１０は、表示装置１１と、表示像（虚像1８）を拡大または縮小に変倍可能な集光レンズ組１３とを備えている。さらに、本実施の形態では、フロントガラス１６内側面の所定の箇所には、反射手段としてのコンバイナ１７が配置されている。
【００２０】
表示装置１１は、光源と運転に必要な情報を表示する表示体とを少なくとも備えて表示情報を光として発生するものであり、表示装置１１内には、図示しないが、表示情報を形成する表示体としての液晶パネル及び投影光源としてのバックライトを備えている。なお、表示体は、液晶パネルに限定されるものではなく、例えば、ＥＬ表示器、ＣＲＴ、熱陰極管、蛍光表示管等でもよい。また、運転に必要な情報としては、走行速度、エンジンの回転数、走行距離、燃料の残量、ワーニング、地図、時間等である。
【００２１】
集光レンズ組１３は、正の屈折力を有するレンズ１４と、色収差を補正する、負の屈折力を有するレンズ１５とを備えてなり、表示装置１１から投影された表示像を形成する投影光束を集束するようにしている。
なお、レンズ１４は、両凸レンズでなくてもよく、例えば、平凸レンズまたは凸メニスカスレンズ等のレンズでもよい。
【００２２】
負の屈折力を有するレンズ１５は、正の屈折力を有するレンズ１４の表示装置１１側に貼り合わせられており、色収差を補正するようになっている。
また、負の屈折力を有するレンズと正の屈折力を有するレンズを組み合わせる向きには特に限定はなく、正の屈折力を有するレンズと負の屈折力を有するレンズのレンズ面を適宜組み合わせることが可能である。
また、集光レンズ組１３を構成する正の屈折力を有するレンズ１４および負の屈折力を有するレンズ１５とは、異なる種類の材質を用いている。例えば、正の屈折力を有するレンズ１３は、クラウンガラスもしくは波長によって屈折率の変動が小さい透明樹脂材料で成形し、負の屈折力を有するレンズ１４はフリントガラスもしくは材料分散の大きな透明樹脂材料で成形するようにしている。なお、これ以外のガラスもしくは透明樹脂材料を用いて貼り合わせてもよい。
【００２３】
さらに、本実施の形態では、正の屈折力を有するレンズ１４と負の屈折力を有するレンズ１５は貼り合わせているが、これに限定されるものではなく、正の屈折力を有するレンズ１４と負の屈折力を有するレンズ１５とを一定の間隔をおいて配置してもよい。
【００２４】
さらに、本実施の形態では、集光レンズ組１３を、その光軸方向に移動可能な移動手段２０が設けられている。この移動手段２０は、モータ２１と、モータ２１によって回転駆動される送りねじ２２と、この送りねじ２２の回転に伴って移動することにより集光レンズ組１３を光軸方向に移動させるラック２３とを備えている。また、図示していないが、モータ２１を制御する制御回路が設けられている。
【００２５】
反射手段としてのコンバイナ１７は、ハーフミラーとして機能するもので、入射した表示像を虚像１８としてフロントガラス１６の前方に表示するようになっている。すなわち、コンバイナ１７は、表示像の反射率を上げるために設けられており、コンバイナ１７を設けずに、フロントガラス１６に入射するようにしてもよい。この場合には、フロントガラス１６が反射手段として機能する。
また、本実施の形態では、コンバイナ１７は、ハーフミラーとして機能も有しているが、これに限定されるものではなく、回折機能を有するホログラムを用いてもよい。
【００２６】
表示装置１１から発せられた光は、表示装置１１に正対するように配置された集光レンズ組１３を通過後にコンバイナ１７で反射される。例えば、表示装置１１と集光レンズ組１３の間にプリズム（図示せず）や反射鏡（図示せず）を配置すれば、表示装置１１の向きを代えてもプリズムや反射鏡等の反射手段によって光軸を折り曲げて集光レンズ組１３に入射させることができる。また、集光レンズ組１３とコンバイナ１７との間にプリズムや反射鏡等の反射手段を配置してもよい。この場合、集光レンズ組１３を透過してきた光を反射手段によって、適切な方向に折り曲げてコンバイナ１７へ入射させることもできる。
【００２７】
次に、ＨＵＤ用光学系の動作について説明する。
表示装置１１から投影された表示像を形成する投影光束は、集光レンズ組１３によって集束され、コンバイナ１７に入射する。コンバイナ１７で反射した表示像は、運転者の視点１２側に投射される。運転者は、投影光束によって、あたかも、フロントガラス１６の前方所定位置に表示装置１１の表示像が形成されているように見ることができる。
【００２８】
さらに、本実施の形態では、集光レンズ組１３を移動手段２０を用いて、表示装置１１とコンバイナ１７（またはフロントガラス１６）との間の光路上を移動させることで、表示像の大きさを変更することができる。
具体的には、集光レンズ組１３を図１の実線の位置から、点線の位置、すなわち、表示装置１１側に近づけた場合には、観察者としての運転者は、小さくした表示像（虚像１８）を見ることができる。また、表示像（虚像１８）を大きくしたい場合には、集光レンズ組１３を観察者側に近づければよい。なお、移動手段２０を設けることなく、手動で移動するようにしてもよい。
【００２９】
（本実施の形態の主な効果）
ＨＵＤ用光学系１０は、表示装置１１と反射手段としてのコンバイナ１７との間の光路中に、表示像を変倍する集光レンズ組１３を備えたので、従来技術のように凹面鏡を用いることなくコンバイナ１７に照射することができる。このため、凹面鏡を省略することで、ＨＵＤを小型化することができる。
さらに、表示装置１１とコンバイナ１７の間の光路中に、集光レンズ組１３を備えたので、挿入する集光レンズ組１３の焦点距離を変えることで、表示像（虚像１８）の倍率を変化させることができる。
【００３０】
また、移動手段２０を用いて挿入する集光レンズ組１３の位置、すなわち、表示装置１１または前記反射手段との間隔を変えることができ、簡単に表示像（虚像１８）の倍率を変化させることができる。
このため、挿入する集光レンズ組１３の焦点距離または配置位置を変えることで、簡単に表示像（虚像１８）の倍率を変更することができる。
【００３１】
さらに、ＨＵＤ用光学系１０において、集光レンズ組１３には移動手段２０が設けられているので、集光レンズ組１３を光軸方向に移動することが自由にでき、容易に倍率を変更することができる。換言すれば、ズームレンズを用いることなく、ズーム効果を得ることができる。
【００３２】
また、ＨＵＤ用光学系１０において、集光レンズ組１３は、正の屈折力を有するレンズ１４と、色収差を補正するための負の屈折力を有するレンズ１５とが組み合わせられている。これにより、２枚のレンズ１４、１５を組み合わせるという簡単なレンズ構成で色収差を補正することができる。
【００３３】
（他の実施の形態）
上述した実施の形態は、本発明の好適な形態の一例であるがこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形可能である。
例えば、図２を参照しつつ第二の実施例を説明する。図２は、ビームエキスパンダの一実施例を説明する概略構成図である。同様に、図３を参照しつつ第三の実施例を説明し、されに図４を参照しつつ第四の実施例を説明する。なお、同じ部材には同じ符号を付して説明する。
【００３４】
図２に示す第二の実施例において、ビームエキスパンダ３０は、例えば、屈折力の異なる２組の集光レンズ組３１、３２を組み合わせて形成されている。
構成は、周知であるが、簡単に説明すると、例えば、正の屈折力を有する焦点距離ｆ１の入射レンズ組３１と、同じく正の屈折力を有する焦点距離ｆ２の出射レンズ組３２を設け、入射レンズ組３１の後側焦点位置と出射レンズ組３２の前側焦点位置を合致させるよう配置している。この構成により、入射レンズ組３１にビーム径φＤｆ１の光を入射すると、出射レンズ組３２より、ビーム径φＤｆ２の光が射出されるようになっている。
【００３５】
なお、入射レンズ組３１には、負の屈折力を有するレンズ３４と正の屈折力を有するレンズ３３を、また、出射レンズ組３２には、負の屈折力を有するレンズ３６と正の屈折力を有するレンズ３５とをそれぞれ貼り付けて構成している。また、入射レンズ組３１と出射レンズ組３２とはそれぞれ正の屈折力を有するようになっている。この第二の実施例では、入射レンズ組３１と出射レンズ組３２の凸面が光の進行方向Ｌに向いている。
このように、図１に示すＨＵＤ１０において、表示装置１１とコンバイナ１５との間の光路上に、集光レンズ組１３の代わりにビームエキスパンダ３０を配置することで、所定の大きさに変倍された表示像（虚像１８）を運転者が目視することができるようになっている。
【００３６】
図３は、第３の実施例を示すビームエキスパンダ３０Ａを説明する概略構成図である。
図３に示す第三の実施例において、第二の実施例に示した入射レンズ組３１の正の屈折力を有するレンズ３４と貼り付けられた負の屈折力を有するレンズ３５との位置を光の進行方向Ｌにおいて入れ替えている。なお、出射レンズ組３２のレンズの配置は第二の実施例と同じである。
さらに、入射レンズ組３１と出射レンズ組３２とはそれぞれ正の屈折力を有するようになっている。
この構成によれば、第二の実施例に比べて、入射レンズ組３１の各々の光学面が有効に作用するため、球面収差が少なくなり，像がシャープになる。
【００３７】
次に、図４は、第４の実施例を示すビームエキスパンダ３０Ｂを説明する概略構成図である。図４に示す第四の実施例において、ビームエキスパンダ３０Ｂは、屈折力の異なる集光レンズ組３１Ｂ、３２を組み合わせて形成されている。
構成は、例えば負の屈折力を有する焦点距離ｆ１の入射レンズ組３１Ｂと、正の屈折力を有する焦点距離ｆ２の出射レンズ組３２を設け、入射レンズ組３１Ｂの後側焦点位置と出射レンズ組３２の前側焦点位置を合致させるよう配置している。この構成により、入射レンズ組３１Ｂにビーム径φＤｆ１の光を入射すると、出射レンズ組３２より、ビーム径φＤｆ２の光が出射されるようになっている。
なお、入射レンズ組３１Ｂには正の屈折力を有するレンズ３４Ｂに対し、負の屈折力を有するレンズ３３Ｂが貼り付けられており、全体として負の屈折力を有するようになっている。また、出射レンズ組３２には正の屈折力を有するレンズ３５に、負の屈折力を有するレンズ３６が貼り付けられており、全体として正の屈折力を有するようになっている。
また、第４の実施例において、入射レンズ組３１Ｂの正の屈折力を有するレンズ３４Ｂ、出射レンズ組３２の正の屈折力を有するレンズ３５は、それぞれ光の進行方向Ｌに配置されている。
このような第４の実施例に示す構成によれば、入射レンズ組３１Ｂを全体として負の屈折力を有するようにしたことにより、出射レンズ組３２と、出射レンズ組３２の前側焦点位置との間に配置することができるため、図２、３、４に示すように、第二、第三の実施例に比べてビームエキスパンダ３０Ｂの全長を短くすることができる。
【００３８】
なお、本実施の形態に示す入射レンズ組３１、３１Ｂ及び出射レンズ組３２を構成するレンズの形状は限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明にかかるＨＵＤを示す概念図である。
【図２】本発明にかかるＨＵＤ光学系に適用するビームエキスパンダの一実施例（第２の実施例）を説明する概略構成図である。
【図３】本発明にかかるＨＵＤ光学系に適用するビームエキスパンダの他の実施例（第３の実施例）を説明する概略構成図である。
【図４】本発明にかかるＨＵＤ光学系に適用するビームエキスパンダの別の他の実施例（第４の実施例）を説明する概略構成図である。
【図５】従来のＨＵＤを示す概略構成図である。
【００４０】
１０  ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）
１１  表示装置
１２  観察者（運転者）視点
１３  集光レンズ組
１４  正の屈折力を有するレンズ
１５  負の屈折力を有するレンズ
１６  フロントガラス
１７  コンバイナ
１８  虚像（表示像）
２０  移動手段
３０  ビームエキスパンダ
３１、３１Ｂ  入射レンズ組
３２  出射レンズ組
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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